(57)【要約】【目的】  結晶成長を繰り返し実行しても、温度制御性及びその再現性に優れ、高品質な結晶層を成長可能な気相成長装置を提供する。【解決手段】  基板を保持する基板保持部と、コーティングが施され、基板保持部を加熱するヒーターと、ヒーターを囲み、ヒーターからの放射熱を遮熱するヒーター室と、を備えている。ヒーターに面するヒーター室の内壁表面には、ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するコーティングが施されている。【選択図】図２
2013183075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持する基板保持部と、
コーティングが施され、前記基板保持部を加熱するヒーターと、
前記ヒーターを囲み、前記ヒーターからの放射熱を遮熱するヒーター室と、を備え、
前記ヒーターに面する前記ヒーター室の内壁表面には、前記ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するコーティングが施されていることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記基板保持部の前記ヒーターに面する表面には、前記ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するコーティングが施されていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記基板保持部を回転する回転機構を有し、前記回転機構の前記ヒーターに面する表面には、前記ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するコーティングが施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記ヒーターの前記コーティングと同一の熱放射率を有するコーティングは、前記ヒーターのコーティング材と同一材料を用いたコーティングであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記ヒーターの前記コーティングは、ＳｉＣ、ＰＢＮ、ＴａＣ、ＴｉＣのうちいずれか１を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
半導体素子、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、電子デバイス等の産業分野で半導体単結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法等の気相成長が幅広く用いられている。ＭＯＣＶＤ法を用いた成長装置には、基板の成長面に対して材料ガス流（ガスフロー）を垂直に流す方式（バーチカル方式）、水平に流す方式（ホリゾンタル方式）等があり、使用する材料ガスや目的デバイス等により適した方式が選択される。
【０００２】
ＭＯＣＶＤ成長に用いられる有機金属材料は、約３５０℃程度から加熱分解される。また有機金属材料ガスと水素化物ガスとを混合させる場合、有機金属材料の熱分解に誘導されて水素化物も容易に分解し、結晶を生成する。
【０００３】
従来の、ＡｌＧａＡｓ系半導体、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体を成長させるＭＯＣＶＤ装置においては、ヒーターからの輻射熱を遮断するために遮熱板やヒーター室隔壁で仕切り、熱輻射を抑えていた。結晶成長装置におけるサセプタの均熱化、加熱装置から逃げる熱（抜熱）については、例えば、特許文献１に記載されている。しかしながら、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）ベースのIII族窒化物半導体の結晶成長では、成長温度が1000℃程度又はそれ以上になり、上記したＡｌＧａＡｓ系半導体などの場合に比べて成長温度が200−300℃高く、輻射熱量が非常に大きい。
【０００４】
また、従来のＭＯＣＶＤ装置では、ヒーター端子や回転導入器の保護、材料ガスのヒーター室への侵入防止のため、不活性ガス（窒素：Ｎ2）などをパージガスとしてヒーター室に導入することが行われている。また、ＧａＮ系半導体のＭＯＣＶＤ装置では、材料ガスとして用いられるＮＨ3によりサセプタやヒーターに用いられるグラファイトが腐食される。従って、グラファイト表面は保護のために、ＳｉＣやＰＢＮ（Pyrolytic Boron Nitride）などでコーティングされているのが一般的である。
【０００５】
腐食性ガスに対してヒーターの寿命を延ばすための工夫として、ヒーター部材やコーティング部材、腐食性ガスをヒーターに接触させない構造等について検討されている（例えば特許文献２、３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−３０２２２３号公報
【特許文献２】特開平１１−６７４２７号公報
【特許文献３】特開２００９−１９４０４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記したように、従来の成長装置においては、ヒーターは、腐食性ガスからの保護のためＳｉＣなどでコーティングされているが、特に、ＧａＮ系半導体などの高温成長においては、コーティング材の周囲への飛散が激しい。飛散したコーティング材は、サセプタ裏面や遮熱板（例えば、ＢＮ）などのヒーター室内壁の表面に付着する。このようなコーティング材の付着によってサセプタ裏面、遮熱板などの熱放射率が変化し、制御温度を一定にしていても、サセプタ上に配置された基板の実温度（実温成長度）が変化することが分かった。
【０００８】
上記した半導体素子を成長する場合、成長層の結晶組成、層厚、ドーピング濃度等を制御する上でサセプタ（基板）温度を正確に、また再現性良く制御する必要がある。特に発光ダイオード（ＬＥＤ）を成長する場合では、発光層の結晶組成によってバンドギャップが変化して、発光波長が変化する。
【０００９】
しかし、上記したように、制御温度を一定に保っても、ヒーター周辺の熱放射率の変化により基板の実温度が変化し、ＬＥＤでは発光波長、内部量子効率、動作電圧などの再現性が低下し、特性の劣化、製造歩留まりの低下、コストアップを招来する問題がある。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置内の熱放射率の変化を抑制し、初期の熱環境を長く維持できる、温度制御性及びその再現性に優れた気相成長装置を提供することにある。すなわち、結晶成長を繰り返し実行しても、温度制御性が高く、高品質な結晶層を成長可能な気相成長装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の気相成長装置は、
基板を保持する基板保持部と、
コーティングが施され、基板保持部を加熱するヒーターと、
ヒーターを囲み、ヒーターからの放射熱を遮熱するヒーター室と、を備え、
ヒーターに面するヒーター室の内壁表面には、ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するコーティングが施されていることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の結晶成長装置の構成を模式的に示す上面図（上段）及び断面図（下段）である。
【図２】図１のヒーター室の周囲部分（図１において、破線で示す部分Ｗ）を拡大して示す拡大断面図である。
【図３】実施例１及び比較例の成長層の構造を模式的に示す断面図である。
【図４】実施例１のＭＯＣＶＤ装置及び比較例のＭＯＣＶＤ装置を用いた場合の、ＧａＮ層成長時の温度測定結果の経時変化を比較して示す図である。
【図５】実施例１のＭＯＣＶＤ装置及び比較例のＭＯＣＶＤ装置を用いた場合の、ＩｎＧａＮ層成長時の温度測定結果の経時変化を比較して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、水平方式の気相成長装置について図面を参照して詳細に説明する。以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の結晶成長装置１０の構成を模式的に示している。結晶成長装置１０の装置構成について以下に詳細に説明する。
【００１５】
［装置構成］
図１は、ホリゾンタル方式の結晶成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）１０の上面図（上段）及び断面図（下段）を示し、上面図は断面図における線Ｖ−Ｖに沿って基板側を見た場合の図である。図１に示すように、ＭＯＣＶＤ装置１０は、反応容器１１、フローチャネル本体１２、フローチャネル床板１３、材料ガス供給ガイド１５、フローチャネル排気管１７、基板２０を載置・保持する円柱形状のサセプタ（基板保持部）２２、サセプタ２２の裏面側に設けられ、サセプタ２２を加熱する（すなわち基板２０を加熱する）ヒーター２４、回転シャフト２９（基板回転機構）によってサセプタ２２を回転させる（すなわち、基板２０を回転させる）モーター２５を有している。また、サセプタ２２の裏面側には、成長温度の制御のため、サセプタ２２の温度を測定する熱電対が設けられている。
【００１６】
フローチャネル本体１２は天板、側壁、仕切り板１２Ａからなり、フローチャネル本体１２、フローチャネル床板１３及び材料ガス供給ガイド１５からフローチャネル１４Ａ及びフローチャネル１４Ｂを有するフローチャネル部（材料ガス供給部）が構成されている。フローチャネル床板１３、材料ガス供給ガイド１５、基板２０及びサセプタ２２の表面は同一水平面内であるように構成されている。基板２０及びサセプタ２２に近い側の（すなわち下層流の）フローチャネルであるフローチャネル１４Ａには、ガス供給管１２Ｃを介して材料ガスが供給され、フローチャネル１４Ａの上層流のフローチャネルであるフローチャネル１４Ｂにはガス供給管１２Ｄを介してガスが供給される。
【００１７】
材料ガス供給ガイド１５は、サセプタ２２よりも材料ガスの上流側に配されている。材料ガス供給ガイド１５の裏面側には、冷却ガス供給管１６Ａを介して冷却ガスを流す冷却ガス流路１６が設けられ、材料ガス供給ガイド１５が冷却される。
【００１８】
また、ＭＯＣＶＤ装置１０には、ヒーター２４の熱を遮断し、抜熱を防ぐための１枚又は複数枚の遮熱板から構成される遮熱部２６、遮熱部２６の外側にヒーター室２７Ｒを画定するヒーター室隔壁２７が備えられている。なお、以下においては、遮熱部２６が複数枚の遮熱板から構成されている場合を例に説明する。ヒーター室隔壁２７にはヒーター室ガス供給管２７Ａが接続され、ヒーター室２７Ａ内にパージガスが供給される。パージガスとしては、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等が用いられる。また、反応容器１１には反応容器パージガス供給管１１Ａが接続されており、反応容器内に拡散する材料ガス等を排気できるように、不活性ガス（Ｎ2等）を流せる構造となっている。ヒーター室隔壁２７は、材料ガスの下流方向の一部に切り欠きがあり、ヒーター室パージガスと冷却ガスを排気できる構造を有している。
【００１９】
なお、当該冷却ガスは、サセプタ２２、ヒーター２４、遮熱部２６を腐食しないガスならば良い。具体的には、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等でよい。しかし、材料ガス供給ガイド１５の冷却には、水素：窒素＝０：１〜３：１の混合ガスが好ましい。
【００２０】
図２は、ヒーター室２７Ｒの周囲部分（図１において、破線で示す部分Ｗ）を拡大して示す断面図である。実施例１において、加熱部であるヒーター２４の表面はＳｉＣ（炭化硅素）によってコーティング（被覆）されている。ヒーター２４の側方及び下方に複数枚の遮熱板から構成されている遮熱部２６が設けられている。そして、遮熱部２６のうちヒーター２４に面する遮熱板２６Ｆ、回転シャフト（回転機構）２９及びサセプタ２２の裏面がヒーター２４からの輻射熱を直接受け、加熱される。換言すれば、ヒーター２４に面する遮熱板２６Ｆ、回転シャフト２９及びサセプタ２２の裏面が、ヒーター室２７Ｒの内壁を画定している。なお、ヒーター室２７Ｒの内壁を画定するヒーター室２７Ｒの構成要素はこれらに限らない。要は、ヒーター室２７Ｒの構成要素のうちヒーター２４に面する構成要素がヒーター室２７Ｒの内壁を画定する。
【００２１】
実施例１において、ヒーター室２７Ｒの内壁面のうちヒーター２４に面する表面が、ヒーター２４の表面のコーティング材と同一の材料（ＳｉＣ）によってコーティングされている。すなわち、遮熱部２６の遮熱板のうち、ヒーター２４に面する遮熱板２６Ｆの表面、回転シャフト２９の表面、及びサセプタ２２の裏面にＳｉＣコーティングがなされている。より具体的には、遮熱板２６Ｆがヒーター２４に面する部分の表面には遮熱板コーティング２６Ｃが設けられ、回転シャフト２９がヒーター２４に面する部分の表面にはコーティング２９Ｃが設けられ、サセプタ２２の裏面（底面）にはコーティング２２Ｃが設けられている。
【００２２】
なお、コーティングはＳｉＣを３０μｍの膜厚で２回重ねて被覆した（合計膜厚：６０μｍ）。コーティング膜厚は、コーティング材そのものの熱放射率を呈する厚膜（いわゆる、バルク）の熱放射率となる１０μｍ以上が好ましい。また、厚すぎると熱膨張差で剥がれることがあるので、１００μｍ以下が好ましい。
【００２３】
また、ヒーター室の内壁面のコーティング材としてＳｉＣを例に説明したが、ヒーターのコーティング材と同一の材料であれば、例えば、ＰＢＮ、ＴａＣ、ＴｉＣなどを用いることができる。あるいは、異なるコーティング材を用いても、ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するようなコーティングが施されていればよい。例えば、ヒーター室の内壁の基材に対してコーティング膜厚を調整して同一の熱放射率を有するようにコーティングされていてもよい。
【００２４】
［結晶成長］
実施例１のＭＯＣＶＤ装置１０を用いて結晶成長を行い、評価を行った。また、ヒーター室２７Ｒの内面にコーティングを行っていない点を除いて実施例１のＭＯＣＶＤ装置と同じ構成を有するＭＯＣＶＤ装置を比較例として結晶成長を行った。より詳細には、比較例のＭＯＣＶＤ装置において、遮熱板及び回転機構はＳｉＣコーティングがなされておらず、それらの基材であるＢＮ（窒化ほう素）が表面に露出していた。
【００２５】
図３は、実施例１及び比較例の成長層の構造を模式的に示す断面図である。なお、実施例１及び比較例のＭＯＣＶＤ装置を用いた結晶成長は全て同じ手順、条件で実施した。以下にその結晶成長の手順、条件等を説明する。
【００２６】
具体的には、下記の有機金属化合物材料ガスと水素化物材料ガスを用いて、次の手順でＧａＮ結晶を成長した。成長基板２０には円形（２インチ）のｃ面サファイア（α−アルミナ）基板を用いた。有機金属材料ガスとしてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｃｐ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、水素化物ガスとしてはＮＨ3（アンモニア）、ＳｉＨ4（モノシラン）を用いた。
【００２７】
有機金属材料ガスと水素化物ガスは、水素及び窒素を混合したキャリアガスと合わせて１０L／minの総流量で供給管１２Ｃから供給した。また、ガス供給管１２Ｄからは水素及び窒素を混合したキャリアガスを３０L／minの流量で供給した。
【００２８】
まず、基板２０の熱処理を行った。ガス供給管１２Ｃから水素ガスを６L／min、ガス供給管１２Ｄから水素：窒素＝１：１の混合ガスを３０L／minの流量で流し、サセプタ２２の温度を１０００℃にし、サファイア基板２０を１０分間アニールした。
【００２９】
次に、サセプタ２２（すなわち、基板２０）の温度を５３０℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてＴＭＧ及びＮＨ3をガス供給管１２Ｃから供給し、サファイア基板２０上に低温成長ＧａＮ層４１を３０ｎｍの層厚で成長した。なお、ガス供給管１２Ｄからは水素を１５L／min及び窒素を１５L／minの割合で混合したキャリアガスを供給した。次に、サセプタ２２の温度を１０５０℃とし、低温成長ＧａＮ層４１を１０分間アニールした。
【００３０】
次に、サセプタ２２の温度を１０３０℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ3及びＳｉＨ4をガス供給管１２Ｃから供給し、低温成長ＧａＮ層４１上にｎ型ＧａＮ層４２を６μｍの層厚で成長した。なお、ガス供給管１２Ｄからは水素を１５L／min及び窒素を１５L／minの割合で混合したキャリアガスを供給した。
【００３１】
次に、量子井戸構造の発光層４３を成長した。より詳細には、サセプタ２２の温度を７６０℃にし、キャリアガスを窒素とし、材料ガスとしてＴＭＧ及びＮＨ3を供給してバリア層としてＧａＮ層を８ｎｍの層厚で成長した。次に、キャリアガスを窒素とし、材料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ及びＮＨ3を供給して井戸層としてＩｎＧａＮ層を３ｎｍの層厚で成長した。上記手順でバリア層及び井戸層を交互に各６層成長した後、バリア層を成長して、発光層４３を成長した。なお、バリア層及び井戸層の成長においては、ガス供給管１２Ｄからはキャリアガスとして窒素のみを３０L／min供給した。
【００３２】
次に、サセプタ２２の温度を９００℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ3及びＣｐ2Ｍｇをガス供給管１２Ｃから供給し、発光層４３上にｐ型ＡｌＧａＮ層４４を３０ｎｍの層厚で成長した。なお、ガス供給管１２Ｄからは水素を１５L／min及び窒素を１５L／minの割合で混合したキャリアガスを供給した。
【００３３】
次に、サセプタ２２の温度を９００℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ3及びＣｐ2Ｍｇをガス供給管１２Ｃから供給し、ｐ型ＡｌＧａＮ層４４上にｐ型ＧａＮ層４５を１００ｎｍの層厚で成長した。
【００３４】
［成長時の基板表面温度］
成長基板２０の上方に設置した放射温度計によって成長中の基板表面温度を測定した。実施例１のＭＯＣＶＤ装置及び比較例のＭＯＣＶＤ装置を用いた場合の温度測定結果の経時変化を併せて図４及び図５に示す。すなわち、横軸は成長回数を示し、縦軸は装置の使用開始時（成長回数が１回目）の温度を基準としたときの温度変化（℃）を示している。また、図４はｎ型ＧａＮ層４２の成長時の表面温度の測定結果であり、図５は発光層４３（ＩｎＧａＮ）の成長時の表面温度の測定結果である。なお、ウエハ面内での表面温度の平均値を示している。
【００３５】
比較例のＭＯＣＶＤ装置を用いた場合では、使用初期（３０〜４０回程度）において、ＧａＮの成長では最大４０℃（図４）、ＩｎＧａＮの成長では最大２０℃ほど（図５）、表面温度が低下した。これに対し、実施例１のＭＯＣＶＤ装置を用いた場合では、700〜800回の成長を行っても、±５℃程度の範囲に温度変化が収まっている。
【００３６】
温度がずれた状態でＧａＮの成長を行うと、成長層の表面モフォロジが変化し、ＧａＮ層上に成長する発光層の結晶品質に悪影響を与える。例えば、発光波長、光出力−電流特性（Ｌ−Ｉ）特性、順方向電圧（Vf）等の電気的特性が変化する。また、４０℃も温度がずれた状態で成長を行うと、表面にピットが形成され、電流リークの原因になったり、逆にヒロックと呼ばれる構造物（突起）ができると、素子化プロセスにおいてマスク等の密着性の悪化によって製造歩留まりの低下を招く。また、ＩｎＧａＮの成長において、温度のずれは組成に直接影響する。例えば、発光層のＩｎ組成がずれ、発光波長が大きくずれるという問題を生じさせる。
【００３７】
比較例のＭＯＣＶＤ装置では、ＢＮ製の遮熱板の表面やサセプタ裏面にヒーターのコーティング材であるＳｉＣが飛散し、付着したことで遮熱板内壁やサセプタ裏面からの熱の放射率が低下したものと考えられる。熱の放射率が変化すると、放熱経路が変化し、同じ制御温度でも、サセプタ上に配置された基板の実成長温度が大きく変化したものと考えられる。
【００３８】
これに対し、実施例１のＭＯＣＶＤ装置によれば、遮熱板内壁やサセプタ裏面がヒーターのコーティング材と同一の材料でコーティングされているため、コーティング材が付着しても熱放射率は変化せず、装置の使用開始時（又はメンテナンス直後）の熱放射状態を維持でき、実成長温度の経時変化を防ぐことができることが分かった。
【００３９】
ところで、サセプタの温度制御は、一般的にサセプタ内部に設置した熱電対によって行われる。成長温度の再現性という点ではできる限り成長基板に近い位置が望ましいが、実際には成長基板の回転や搬送を実現するために成長基板に接する位置に熱電対を設置するのは難しい。従って、熱電対は成長基板から距離を置いて設置され、その位置の温度を制御することになる。なお、成長基板上の温度を放射温度計によって測定して制御することも考えられるが、反応室内には材料ガスの反応生成物が堆積するため、汚れ方はヒーター周りの比ではなく、透明な石英部品を通して基板温度を観測しようとしても、石英部品が直ぐに汚れてしまい、正確な測定は難しい。こまめにメンテナンスを行うことにしても、メンテナンス頻度が高くなると結晶成長ウエハの製造スループットが低下し、コストの上昇要因となる。
【００４０】
ＭＯＣＶＤ装置では、熱の移動において輻射の影響が大きい。特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体の成長温度は、1,000℃程度と高温であるため、ヒーター周囲の構成部品による輻射の影響は非常に大きい。具体的には、ヒーターで発生した熱は、基板方向のみならず、輻射により四方へ散逸する。この際、ヒーター周囲の部品の熱放射率が変化すると、輻射による熱散逸が変化し、成長基板方向に伝わる熱の比率が変化する。熱源から成長基板までの距離と熱伝導率は一定で、成長基板方向に伝わる熱量が変化すれば、熱源と成長基板との間の温度差もそれに伴い変化する。
【００４１】
上記したように、ＭＯＣＶＤ成長、特に、例えばＧａＮ系結晶の成長においては、成長温度が1,000℃程度と高温であり、ヒーターを腐食性ガスから保護するためのＳｉＣ等のコーティング材の飛散が顕著であり、ヒーターに面するヒーター室内壁面への付着が激しい。すると、コーティング材が付着した遮熱板内壁やサセプタ裏面などのヒーター室内壁面からの熱の放射率が変化し、同じ制御温度でも、サセプタ上に配置された基板の実成長温度が大きく変化する。
【００４２】
本発明によれば、ヒーターに面する部材の表面、すなわちサセプタの下面を含み、ヒーターに面するヒーター室の内壁表面は、ヒーターのコーティング材と同一の材料でコーティングされている。従って、ヒーターからヒーターのコーティング材が飛散して、ヒーター室の内壁表面に付着しても内壁表面の熱放射率は変化せず、装置の使用開始時又はメンテナンス直後の熱放射率が変化せず、実成長温度の経時変化を防ぐことができる。従って、装置のメンテナンス頻度を低減できるとともに、再現性の高い気相成長装置を提供することができる。すなわち、結晶成長を繰り返し実行しても温度制御性が高く、従って、半導体層の組成、層厚、ドーピング濃度等の制御性、再現性が高く、高品質な結晶層を成長可能な気相成長装置を提供することができる。
【００４３】
なお、遮熱板内壁やサセプタ裏面などのヒーター室内壁表面がヒーターのコーティング材と同一の材料でコーティングされている場合について説明したが、これに限らず、異なるコーティング材を用いてもよい。例えば、ヒーター室の内壁面の熱放射率はコーティング膜厚やヒーター室の内壁の基材で異なるが、内壁の基材に対してコーティング膜厚を調整して同一の熱放射率を有するようにコーティングしてもよい。
【００４４】
なお、上記した実施例においては、フローチャネル方式のＭＯＣＶＤ装置を例に説明したが、これに限らず、２フロー方式等のＭＯＣＶＤ装置にも適用できる。また、バーチカル方式のＭＯＣＶＤ装置、その他の気相成長装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０  気相成長装置
２０  基板
２２  サセプタ
２４  ヒーター
２６  遮熱部
２６Ｆ  遮熱板
２９  回転機構
２２Ｃ、２６Ｃ、２９Ｃ  コーティング
【図１】
2013183075.tif 000003
【図２】
2013183075.tif 000004
【図３】
2013183075.tif 000005
【図４】
2013183075.tif 000006
【図５】
2013183075.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月2日(2012.3.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長装置、特に、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、電子デバイス等の産業分野で半導体単結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法等の気相成長が幅広く用いられている。ＭＯＣＶＤ法を用いた成長装置には、基板の成長面に対して材料ガス流（ガスフロー）を垂直に流す方式（バーチカル方式）、水平に流す方式（ホリゾンタル方式）等があり、使用する材料ガスや目的デバイス等により適した方式が選択される。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ成長に用いられる有機金属材料は、約３５０℃程度から加熱分解される。また有機金属材料ガスと水素化物ガスとを混合させる場合、有機金属材料の熱分解に誘導されて水素化物も容易に分解し、結晶を生成する。
【０００４】
従来の、ＡｌＧａＡｓ系半導体、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体を成長させるＭＯＣＶＤ装置においては、ヒーターからの輻射熱を遮断するために遮熱板やヒーター室隔壁で仕切り、熱輻射を抑えていた。結晶成長装置におけるサセプタの均熱化、加熱装置から逃げる熱（抜熱）については、例えば、特許文献１に記載されている。しかしながら、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）ベースのIII族窒化物半導体の結晶成長では、成長温度が1000℃程度又はそれ以上になり、上記したＡｌＧａＡｓ系半導体などの場合に比べて成長温度が200−300℃高く、輻射熱量が非常に大きい。
【０００５】
また、従来のＭＯＣＶＤ装置では、ヒーター端子や回転導入器の保護、材料ガスのヒーター室への侵入防止のため、不活性ガス（窒素：Ｎ2）などをパージガスとしてヒーター室に導入することが行われている。また、ＧａＮ系半導体のＭＯＣＶＤ装置では、材料ガスとして用いられるＮＨ3によりサセプタやヒーターに用いられるグラファイトが腐食される。従って、グラファイト表面は保護のために、ＳｉＣやＰＢＮ（Pyrolytic Boron Nitride）などでコーティングされているのが一般的である。
【０００６】
腐食性ガスに対してヒーターの寿命を延ばすための工夫として、ヒーター部材やコーティング部材、腐食性ガスをヒーターに接触させない構造等について検討されている（例えば特許文献２、３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−３０２２２３号公報
【特許文献２】特開平１１−６７４２７号公報
【特許文献３】特開２００９−１９４０４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、従来の成長装置においては、ヒーターは、腐食性ガスからの保護のためＳｉＣなどでコーティングされているが、特に、ＧａＮ系半導体などの高温成長においては、コーティング材の周囲への飛散が激しい。飛散したコーティング材は、サセプタ裏面や遮熱板（例えば、ＢＮ）などのヒーター室内壁の表面に付着する。このようなコーティング材の付着によってサセプタ裏面、遮熱板などの熱放射率が変化し、制御温度を一定にしていても、サセプタ上に配置された基板の実温度（実温成長度）が変化することが分かった。
【０００９】
上記した半導体素子を成長する場合、成長層の結晶組成、層厚、ドーピング濃度等を制御する上でサセプタ（基板）温度を正確に、また再現性良く制御する必要がある。特に発光ダイオード（ＬＥＤ）を成長する場合では、発光層の結晶組成によってバンドギャップが変化して、発光波長が変化する。
【００１０】
しかし、上記したように、制御温度を一定に保っても、ヒーター周辺の熱放射率の変化により基板の実温度が変化し、ＬＥＤでは発光波長、内部量子効率、動作電圧などの再現性が低下し、特性の劣化、製造歩留まりの低下、コストアップを招来する問題がある。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置内の熱放射率の変化を抑制し、初期の熱環境を長く維持できる、温度制御性及びその再現性に優れた気相成長装置を提供することにある。すなわち、結晶成長を繰り返し実行しても、温度制御性が高く、高品質な結晶層を成長可能な気相成長装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の気相成長装置は、
基板を保持する基板保持部と、
コーティングが施され、基板保持部を加熱するヒーターと、
ヒーターを囲み、ヒーターからの放射熱を遮熱するヒーター室と、を備え、
ヒーターに面するヒーター室の内壁表面には、ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するコーティングが施されていることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の結晶成長装置の構成を模式的に示す上面図（上段）及び断面図（下段）である。
【図２】図１のヒーター室の周囲部分（図１において、破線で示す部分Ｗ）を拡大して示す拡大断面図である。
【図３】実施例１及び比較例の成長層の構造を模式的に示す断面図である。
【図４】実施例１のＭＯＣＶＤ装置及び比較例のＭＯＣＶＤ装置を用いた場合の、ＧａＮ層成長時の温度測定結果の経時変化を比較して示す図である。
【図５】実施例１のＭＯＣＶＤ装置及び比較例のＭＯＣＶＤ装置を用いた場合の、ＩｎＧａＮ層成長時の温度測定結果の経時変化を比較して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、水平方式の気相成長装置について図面を参照して詳細に説明する。以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の結晶成長装置１０の構成を模式的に示している。結晶成長装置１０の装置構成について以下に詳細に説明する。
【００１６】
［装置構成］
図１は、ホリゾンタル方式の結晶成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）１０の上面図（上段）及び断面図（下段）を示し、上面図は断面図における線Ｖ−Ｖに沿って基板側を見た場合の図である。図１に示すように、ＭＯＣＶＤ装置１０は、反応容器１１、フローチャネル本体１２、フローチャネル床板１３、材料ガス供給ガイド１５、フローチャネル排気管１７、基板２０を載置・保持する円柱形状のサセプタ（基板保持部）２２、サセプタ２２の裏面側に設けられ、サセプタ２２を加熱する（すなわち基板２０を加熱する）ヒーター２４、回転シャフト２９（基板回転機構）によってサセプタ２２を回転させる（すなわち、基板２０を回転させる）モーター２５を有している。また、サセプタ２２の裏面側には、成長温度の制御のため、サセプタ２２の温度を測定する熱電対が設けられている。
【００１７】
フローチャネル本体１２は天板、側壁、仕切り板１２Ａからなり、フローチャネル本体１２、フローチャネル床板１３及び材料ガス供給ガイド１５からフローチャネル１４Ａ及びフローチャネル１４Ｂを有するフローチャネル部（材料ガス供給部）が構成されている。フローチャネル床板１３、材料ガス供給ガイド１５、基板２０及びサセプタ２２の表面は同一水平面内であるように構成されている。基板２０及びサセプタ２２に近い側の（すなわち下層流の）フローチャネルであるフローチャネル１４Ａには、ガス供給管１２Ｃを介して材料ガスが供給され、フローチャネル１４Ａの上層流のフローチャネルであるフローチャネル１４Ｂにはガス供給管１２Ｄを介してガスが供給される。
【００１８】
材料ガス供給ガイド１５は、サセプタ２２よりも材料ガスの上流側に配されている。材料ガス供給ガイド１５の裏面側には、冷却ガス供給管１６Ａを介して冷却ガスを流す冷却ガス流路１６が設けられ、材料ガス供給ガイド１５が冷却される。
【００１９】
また、ＭＯＣＶＤ装置１０には、ヒーター２４の熱を遮断し、抜熱を防ぐための１枚又は複数枚の遮熱板から構成される遮熱部２６、遮熱部２６の外側にヒーター室２７Ｒを画定するヒーター室隔壁２７が備えられている。なお、以下においては、遮熱部２６が複数枚の遮熱板から構成されている場合を例に説明する。ヒーター室隔壁２７にはヒーター室ガス供給管２７Ａが接続され、ヒーター室２７Ａ内にパージガスが供給される。パージガスとしては、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等が用いられる。また、反応容器１１には反応容器パージガス供給管１１Ａが接続されており、反応容器内に拡散する材料ガス等を排気できるように、不活性ガス（Ｎ２等）を流せる構造となっている。ヒーター室隔壁２７は、材料ガスの下流方向の一部に切り欠きがあり、ヒーター室パージガスと冷却ガスを排気できる構造を有している。
【００２０】
なお、当該冷却ガスは、サセプタ２２、ヒーター２４、遮熱部２６を腐食しないガスならば良い。具体的には、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等でよい。しかし、材料ガス供給ガイド１５の冷却には、水素：窒素＝０：１〜３：１の混合ガスが好ましい。
【００２１】
図２は、ヒーター室２７Ｒの周囲部分（図１において、破線で示す部分Ｗ）を拡大して示す断面図である。実施例１において、加熱部であるヒーター２４の表面はＳｉＣ（炭化硅素）によってコーティング（被覆）されている。ヒーター２４の側方及び下方に複数枚の遮熱板から構成されている遮熱部２６が設けられている。そして、遮熱部２６のうちヒーター２４に面する遮熱板２６Ｆ、回転シャフト（回転機構）２９及びサセプタ２２の裏面がヒーター２４からの輻射熱を直接受け、加熱される。換言すれば、ヒーター２４に面する遮熱板２６Ｆ、回転シャフト２９及びサセプタ２２の裏面が、ヒーター室２７Ｒの内壁を画定している。なお、ヒーター室２７Ｒの内壁を画定するヒーター室２７Ｒの構成要素はこれらに限らない。要は、ヒーター室２７Ｒの構成要素のうちヒーター２４に面する構成要素がヒーター室２７Ｒの内壁を画定する。
【００２２】
実施例１において、ヒーター室２７Ｒの内壁面のうちヒーター２４に面する表面が、ヒーター２４の表面のコーティング材と同一の材料（ＳｉＣ）によってコーティングされている。すなわち、遮熱部２６の遮熱板のうち、ヒーター２４に面する遮熱板２６Ｆの表面、回転シャフト２９の表面、及びサセプタ２２の裏面にＳｉＣコーティングがなされている。より具体的には、遮熱板２６Ｆがヒーター２４に面する部分の表面には遮熱板コーティング２６Ｃが設けられ、回転シャフト２９がヒーター２４に面する部分の表面にはコーティング２９Ｃが設けられ、サセプタ２２の裏面（底面）にはコーティング２２Ｃが設けられている。
【００２３】
なお、コーティングはＳｉＣを３０μｍの膜厚で２回重ねて被覆した（合計膜厚：６０μｍ）。コーティング膜厚は、コーティング材そのものの熱放射率を呈する厚膜（いわゆる、バルク）の熱放射率となる１０μｍ以上が好ましい。また、厚すぎると熱膨張差で剥がれることがあるので、１００μｍ以下が好ましい。
【００２４】
また、ヒーター室の内壁面のコーティング材としてＳｉＣを例に説明したが、ヒーターのコーティング材と同一の材料であれば、例えば、ＰＢＮ、ＴａＣ、ＴｉＣなどを用いることができる。あるいは、異なるコーティング材を用いても、ヒーターのコーティングと同一の熱放射率を有するようなコーティングが施されていればよい。例えば、ヒーター室の内壁の基材に対してコーティング膜厚を調整して同一の熱放射率を有するようにコーティングされていてもよい。
【００２５】
［結晶成長］
実施例１のＭＯＣＶＤ装置１０を用いて結晶成長を行い、評価を行った。また、ヒーター室２７Ｒの内面にコーティングを行っていない点を除いて実施例１のＭＯＣＶＤ装置と同じ構成を有するＭＯＣＶＤ装置を比較例として結晶成長を行った。より詳細には、比較例のＭＯＣＶＤ装置において、遮熱板及び回転機構はＳｉＣコーティングがなされておらず、それらの基材であるＢＮ（窒化ほう素）が表面に露出していた。
【００２６】
図３は、実施例１及び比較例の成長層の構造を模式的に示す断面図である。なお、実施例１及び比較例のＭＯＣＶＤ装置を用いた結晶成長は全て同じ手順、条件で実施した。以下にその結晶成長の手順、条件等を説明する。
【００２７】
具体的には、下記の有機金属化合物材料ガスと水素化物材料ガスを用いて、次の手順でＧａＮ結晶を成長した。成長基板２０には円形（２インチ）のｃ面サファイア（α−アルミナ）基板を用いた。有機金属材料ガスとしてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、水素化物ガスとしてはＮＨ３（アンモニア）、ＳｉＨ4（モノシラン）を用いた。
【００２８】
有機金属材料ガスと水素化物ガスは、水素及び窒素を混合したキャリアガスと合わせて１０L／minの総流量で供給管１２Ｃから供給した。また、ガス供給管１２Ｄからは水素及び窒素を混合したキャリアガスを３０L／minの流量で供給した。
【００２９】
まず、基板２０の熱処理を行った。ガス供給管１２Ｃから水素ガスを６L／min、ガス供給管１２Ｄから水素：窒素＝１：１の混合ガスを３０L／minの流量で流し、サセプタ２２の温度を１０００℃にし、サファイア基板２０を１０分間アニールした。
【００３０】
次に、サセプタ２２（すなわち、基板２０）の温度を５３０℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてＴＭＧ及びＮＨ３をガス供給管１２Ｃから供給し、サファイア基板２０上に低温成長ＧａＮ層４１を３０ｎｍの層厚で成長した。なお、ガス供給管１２Ｄからは水素を１５L／min及び窒素を１５L／minの割合で混合したキャリアガスを供給した。次に、サセプタ２２の温度を１０５０℃とし、低温成長ＧａＮ層４１を１０分間アニールした。
【００３１】
次に、サセプタ２２の温度を１０３０℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ３及びＳｉＨ4をガス供給管１２Ｃから供給し、低温成長ＧａＮ層４１上にｎ型ＧａＮ層４２を６μｍの層厚で成長した。なお、ガス供給管１２Ｄからは水素を１５L／min及び窒素を１５L／minの割合で混合したキャリアガスを供給した。
【００３２】
次に、量子井戸構造の発光層４３を成長した。より詳細には、サセプタ２２の温度を７６０℃にし、キャリアガスを窒素とし、材料ガスとしてＴＭＧ及びＮＨ３を供給してバリア層としてＧａＮ層を８ｎｍの層厚で成長した。次に、キャリアガスを窒素とし、材料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ及びＮＨ３を供給して井戸層としてＩｎＧａＮ層を３ｎｍの層厚で成長した。上記手順でバリア層及び井戸層を交互に各６層成長した後、バリア層を成長して、発光層４３を成長した。なお、バリア層及び井戸層の成長においては、ガス供給管１２Ｄからはキャリアガスとして窒素のみを３０L／min供給した。
【００３３】
次に、サセプタ２２の温度を９００℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３及びＣｐ２Ｍｇをガス供給管１２Ｃから供給し、発光層４３上にｐ型ＡｌＧａＮ層４４を３０ｎｍの層厚で成長した。なお、ガス供給管１２Ｄからは水素を１５L／min及び窒素を１５L／minの割合で混合したキャリアガスを供給した。
【００３４】
次に、サセプタ２２の温度を９００℃にして、キャリアガスを水素とし、材料ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ３及びＣｐ２Ｍｇをガス供給管１２Ｃから供給し、ｐ型ＡｌＧａＮ層４４上にｐ型ＧａＮ層４５を１００ｎｍの層厚で成長した。
【００３５】
［成長時の基板表面温度］
成長基板２０の上方に設置した放射温度計によって成長中の基板表面温度を測定した。実施例１のＭＯＣＶＤ装置及び比較例のＭＯＣＶＤ装置を用いた場合の温度測定結果の経時変化を併せて図４及び図５に示す。すなわち、横軸は成長回数を示し、縦軸は装置の使用開始時（成長回数が１回目）の温度を基準としたときの温度変化（℃）を示している。また、図４はｎ型ＧａＮ層４２の成長時の表面温度の測定結果であり、図５は発光層４３（ＩｎＧａＮ）の成長時の表面温度の測定結果である。なお、ウエハ面内での表面温度の平均値を示している。
【００３６】
比較例のＭＯＣＶＤ装置を用いた場合では、使用初期（３０〜４０回程度）において、ＧａＮの成長では最大４０℃（図４）、ＩｎＧａＮの成長では最大２０℃ほど（図５）、表面温度が低下した。これに対し、実施例１のＭＯＣＶＤ装置を用いた場合では、700〜800回の成長を行っても、±５℃程度の範囲に温度変化が収まっている。
【００３７】
温度がずれた状態でＧａＮの成長を行うと、成長層の表面モフォロジが変化し、ＧａＮ層上に成長する発光層の結晶品質に悪影響を与える。例えば、発光波長、光出力−電流特性（Ｌ−Ｉ）特性、順方向電圧（Vf）等の電気的特性が変化する。また、４０℃も温度がずれた状態で成長を行うと、表面にピットが形成され、電流リークの原因になったり、逆にヒロックと呼ばれる構造物（突起）ができると、素子化プロセスにおいてマスク等の密着性の悪化によって製造歩留まりの低下を招く。また、ＩｎＧａＮの成長において、温度のずれは組成に直接影響する。例えば、発光層のＩｎ組成がずれ、発光波長が大きくずれるという問題を生じさせる。
【００３８】
比較例のＭＯＣＶＤ装置では、ＢＮ製の遮熱板の表面やサセプタ裏面にヒーターのコーティング材であるＳｉＣが飛散し、付着したことで遮熱板内壁やサセプタ裏面からの熱の放射率が低下したものと考えられる。熱の放射率が変化すると、放熱経路が変化し、同じ制御温度でも、サセプタ上に配置された基板の実成長温度が大きく変化したものと考えられる。
【００３９】
これに対し、実施例１のＭＯＣＶＤ装置によれば、遮熱板内壁やサセプタ裏面がヒーターのコーティング材と同一の材料でコーティングされているため、コーティング材が付着しても熱放射率は変化せず、装置の使用開始時（又はメンテナンス直後）の熱放射状態を維持でき、実成長温度の経時変化を防ぐことができることが分かった。
【００４０】
ところで、サセプタの温度制御は、一般的にサセプタ内部に設置した熱電対によって行われる。成長温度の再現性という点ではできる限り成長基板に近い位置が望ましいが、実際には成長基板の回転や搬送を実現するために成長基板に接する位置に熱電対を設置するのは難しい。従って、熱電対は成長基板から距離を置いて設置され、その位置の温度を制御することになる。なお、成長基板上の温度を放射温度計によって測定して制御することも考えられるが、反応室内には材料ガスの反応生成物が堆積するため、汚れ方はヒーター周りの比ではなく、透明な石英部品を通して基板温度を観測しようとしても、石英部品が直ぐに汚れてしまい、正確な測定は難しい。こまめにメンテナンスを行うことにしても、メンテナンス頻度が高くなると結晶成長ウエハの製造スループットが低下し、コストの上昇要因となる。
【００４１】
ＭＯＣＶＤ装置では、熱の移動において輻射の影響が大きい。特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体の成長温度は、1,000℃程度と高温であるため、ヒーター周囲の構成部品による輻射の影響は非常に大きい。具体的には、ヒーターで発生した熱は、基板方向のみならず、輻射により四方へ散逸する。この際、ヒーター周囲の部品の熱放射率が変化すると、輻射による熱散逸が変化し、成長基板方向に伝わる熱の比率が変化する。熱源から成長基板までの距離と熱伝導率は一定で、成長基板方向に伝わる熱量が変化すれば、熱源と成長基板との間の温度差もそれに伴い変化する。
【００４２】
上記したように、ＭＯＣＶＤ成長、特に、例えばＧａＮ系結晶の成長においては、成長温度が1,000℃程度と高温であり、ヒーターを腐食性ガスから保護するためのＳｉＣ等のコーティング材の飛散が顕著であり、ヒーターに面するヒーター室内壁面への付着が激しい。すると、コーティング材が付着した遮熱板内壁やサセプタ裏面などのヒーター室内壁面からの熱の放射率が変化し、同じ制御温度でも、サセプタ上に配置された基板の実成長温度が大きく変化する。
【００４３】
本発明によれば、ヒーターに面する部材の表面、すなわちサセプタの下面を含み、ヒーターに面するヒーター室の内壁表面は、ヒーターのコーティング材と同一の材料でコーティングされている。従って、ヒーターからヒーターのコーティング材が飛散して、ヒーター室の内壁表面に付着しても内壁表面の熱放射率は変化せず、装置の使用開始時又はメンテナンス直後の熱放射率が変化せず、実成長温度の経時変化を防ぐことができる。従って、装置のメンテナンス頻度を低減できるとともに、再現性の高い気相成長装置を提供することができる。すなわち、結晶成長を繰り返し実行しても温度制御性が高く、従って、半導体層の組成、層厚、ドーピング濃度等の制御性、再現性が高く、高品質な結晶層を成長可能な気相成長装置を提供することができる。
【００４４】
なお、遮熱板内壁やサセプタ裏面などのヒーター室内壁表面がヒーターのコーティング材と同一の材料でコーティングされている場合について説明したが、これに限らず、異なるコーティング材を用いてもよい。例えば、ヒーター室の内壁面の熱放射率はコーティング膜厚やヒーター室の内壁の基材で異なるが、内壁の基材に対してコーティング膜厚を調整して同一の熱放射率を有するようにコーティングしてもよい。
【００４５】
なお、上記した実施例においては、フローチャネル方式のＭＯＣＶＤ装置を例に説明したが、これに限らず、２フロー方式等のＭＯＣＶＤ装置にも適用できる。また、バーチカル方式のＭＯＣＶＤ装置、その他の気相成長装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  気相成長装置
２０  基板
２２  サセプタ
２４  ヒーター
２６  遮熱部
２６Ｆ  遮熱板
２９  回転機構
２２Ｃ、２６Ｃ、２９Ｃ  コーティング